鄭宇

摘要：基于COMSOL Multiphysics仿真軟件對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極流場(chǎng)進(jìn)行了仿真研究，通過(guò)對(duì)壓力、速度、氧氣濃度與電流密度等參數(shù)的研究來(lái)比較多通道蛇形流場(chǎng)的尺寸對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的性能影響。指導(dǎo)質(zhì)子交換膜燃料電池流場(chǎng)設(shè)計(jì)。

Abstract： Based on COMSOL Multiphysics simulation software， the cathode flow field of proton exchange membrane fuel cell was simulated. The parameters of pressure， velocity， oxygen concentration and current density were compared to compare the size of multi-channel serpentine flow field to proton exchange membrane fuel. The performance impact of the battery. Guide the flow field design of proton exchange membrane fuel cells.

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）;蛇形流場(chǎng);三維仿真

Key words： proton exchange membrane fuel cell（PEMFC）;serpentine flow channel;three-dimensional simulation

0? 引言

燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能與熱能，不受傳統(tǒng)熱機(jī)的卡諾循環(huán)限制[1]，效率較高且對(duì)環(huán)境友好[2]，越來(lái)越受到各國(guó)政府與研究機(jī)構(gòu)的重視。在PEMFC流場(chǎng)設(shè)計(jì)中普遍采用蛇形流場(chǎng)，其中蛇形多通道流場(chǎng)相比蛇形單通道流場(chǎng)壓降要小，適應(yīng)于流場(chǎng)面積較大的情況。但仍可能存在某條通道堵塞的情況[3]。因此基于COMSOL Multiphysics軟件對(duì)不同通道尺寸的流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，以分析流場(chǎng)通道尺寸對(duì)燃料電池性能的影響。

1? 流場(chǎng)通道形狀的影響

流場(chǎng)通道的形狀的選取也很重要。梯形通道的加工較為不易，而圓弧形的通道底部則會(huì)使凝結(jié)的水形成一層水膜，影響氣體的擴(kuò)散從而影響反應(yīng)速率。具有尖角的通道結(jié)構(gòu)有助于破壞水膜的表面張力從而阻止水膜的形成[4]。

流場(chǎng)通道的尺寸對(duì)電池性能的影響很大，通常通道尺寸在0.4-4mm之間變化[5]，通道過(guò)窄，則不易于氣體擴(kuò)散層排水，通道越寬，則反應(yīng)氣體與擴(kuò)散層接觸越直接。在燃料電池的試驗(yàn)研究中流道寬度尺寸普遍采用0.8-1.0mm[6，7，8]。

2? 建立模型

2.1 幾何與物理模型

在COMSOL軟件中建立的多通道蛇形流場(chǎng)的模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中氣體流動(dòng)方向?yàn)樽笊戏搅魅?，右下方流出。其中通道尺寸?.8mm的模型所需的幾何與物理參數(shù)如表1所示。通道尺寸為1mm的模型除流場(chǎng)通道尺寸及肋寬不同其他參數(shù)與表1保持一致。

2.2 模型設(shè)定

①反應(yīng)氣體為不可壓縮的理想氣體;②燃料電池在穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行;③氣體以層流狀態(tài)流動(dòng);④電極結(jié)構(gòu)各向同性。其余參數(shù)由以下公式給出。

多孔陰極發(fā)生的反應(yīng)使氧氣還原，即：

3? 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證COMSOL軟件模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，首先建立一個(gè)上海交通大學(xué)在實(shí)際試驗(yàn)中使用過(guò)的單通道蛇形流場(chǎng)的幾何模型[8]如圖2所示，通過(guò)將仿真計(jì)算結(jié)果與上交實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果比較來(lái)驗(yàn)證COMSOL軟件計(jì)算準(zhǔn)確性。并劃分高質(zhì)量六面體網(wǎng)格。

如圖3，將模擬計(jì)算得到的極化曲線與實(shí)際試驗(yàn)得到的極化曲線相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在電流密度為1.0A/cm2時(shí)有最大誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為0.68V，仿真結(jié)果為0.64V，最大誤差為6.25%。因此計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果滿足誤差要求。通過(guò)借鑒上交的研究進(jìn)展后續(xù)建立了三通道蛇形流場(chǎng)模型，試圖在上交研究基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)三通道蛇形流場(chǎng)模型通道尺寸的進(jìn)一步優(yōu)化來(lái)獲取更好的性能表現(xiàn)。

4? 結(jié)果分析

4.1 壓力分布

通道尺寸為0.8mm時(shí)進(jìn)出口氣體壓差為300Pa，通道尺寸為1mm時(shí)進(jìn)出口壓差為205Pa。所以通道尺寸的適當(dāng)增加能有效減小氣體流動(dòng)阻力。

4.2 速度分布

流場(chǎng)通道尺寸為0.8mm時(shí)，通道內(nèi)氣流的最大速度為5.55m/s;通道尺寸為1mm時(shí)，最大氣流速度為4.78m/s。增加通道尺寸以后，氣體在通道內(nèi)的速度分布更加均勻，尤其是第一條通道的第二次轉(zhuǎn)彎與第三條通道的第一次轉(zhuǎn)彎處附近，但大尺寸的通道尺寸能有效改善降低的幅度，避免出現(xiàn)氣體流速突變的現(xiàn)象。（圖4）

4.3 氧氣濃度、水濃度分布

通道尺寸為0.8mm時(shí)GDL內(nèi)平均氧氣濃度為1.89 mol/m3，而通道尺寸為1mm時(shí)GDL內(nèi)平均氧氣濃度為2.67mol/m3。適當(dāng)增加通道尺寸能有效增強(qiáng)氣體向GDL內(nèi)的擴(kuò)散。尤其可以有效提高流場(chǎng)后段的氧氣濃度。同時(shí)，通道尺寸的增加能有效地將電池內(nèi)的過(guò)量水分排出，提高燃料電池的性能表現(xiàn)。

4.4 極化曲線

對(duì)兩種通道尺寸的流場(chǎng)分別建立完整的單電池模型，得到的極化曲線與功率密度曲線如圖5所示。可以看到，通道尺寸的適當(dāng)增加能有效提高燃料電池的性能表現(xiàn)，尤其在電流密度較大的情況下，適當(dāng)增加流場(chǎng)的通道尺寸也可以提高電池的功率密度。

5? 結(jié)語(yǔ)

①對(duì)于流場(chǎng)通道形狀的選取需要考慮通道形狀對(duì)通道內(nèi)水凝結(jié)方式的影響，通常采用矩形通道，特殊情況可以設(shè)計(jì)諸如多邊形的通道形狀以適應(yīng)電池組的設(shè)計(jì)與匹配要求。

②通道尺寸對(duì)流場(chǎng)參數(shù)影響很大，適當(dāng)增加通道尺寸可以降低氣體流動(dòng)阻力，改善氣體流動(dòng)狀態(tài)，防止氣流速度突變，增強(qiáng)流場(chǎng)與氣體擴(kuò)散層的氣體交換，提高氣體擴(kuò)散層內(nèi)反應(yīng)氣體濃度，而且有助于將流道內(nèi)多余水分排出，提高電池性能。

③在實(shí)際應(yīng)用中還要考慮到通道尺寸太大時(shí)膜電極組件偏轉(zhuǎn)到通道中的問(wèn)題，一般選取通道尺寸為1mm，但可以在0.4-4mm之間根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整?？偠灾?，流場(chǎng)的理論設(shè)計(jì)需要與燃料電池實(shí)際需求相適應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

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[5]Frano Barbir. PEM燃料電池：理論與實(shí)踐 [M].二版.機(jī)械工業(yè)出版社：2016，130-131.

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[8]張卿雷.基于CFD方法的質(zhì)子膜燃料電池內(nèi)部傳質(zhì)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué)，2017.